【摘要】：超大規(guī)格硬質(zhì)鋁合金預(yù)拉伸厚板(簡稱硬質(zhì)鋁合金厚板)是現(xiàn)代大飛機(jī)制造不可或缺的材料,硬質(zhì)鋁合金厚板在經(jīng)過軋制和淬火工藝處理后,其內(nèi)部會(huì)存在很大的殘余應(yīng)力,這種殘余應(yīng)力如不及時(shí)消除,將會(huì)導(dǎo)致硬質(zhì)鋁合金厚板應(yīng)力腐蝕及疲勞斷裂敏感性增加,從而降低部件的使用壽命,影響飛機(jī)的飛行安全性能,因此有效消除硬質(zhì)鋁合金厚板內(nèi)部殘余應(yīng)力,是實(shí)現(xiàn)航空用硬質(zhì)鋁合金厚板生產(chǎn)工藝不可或缺的重要環(huán)節(jié)。目前,消除硬質(zhì)鋁合金厚板中的殘余應(yīng)力,最行之有效的辦法就是在硬質(zhì)鋁合金厚板淬火后進(jìn)行預(yù)拉伸矯直,利用其塑性變形早期階段來釋放應(yīng)力,使其內(nèi)部沿厚度方向上的殘余應(yīng)力重新分布并趨向均勻。為消除硬質(zhì)鋁合金厚板內(nèi)部的殘余應(yīng)力,東北輕合金有限責(zé)任公司(簡稱:101廠)從意大利引進(jìn)了預(yù)拉伸矯直設(shè)備“8500T鋁板拉伸機(jī)(簡稱:拉伸機(jī))”,但是該設(shè)備在實(shí)際拉伸矯直厚度為180-200mm硬質(zhì)鋁合金厚板的生產(chǎn)過程中,經(jīng)常發(fā)生硬質(zhì)鋁合金厚板在拉伸機(jī)鉗口處局部斷裂情形,這不僅影響了硬質(zhì)鋁合金厚板的質(zhì)量、成品率和經(jīng)濟(jì)收益,同時(shí)還容易對(duì)拉伸機(jī)設(shè)備本體造成損壞,引發(fā)設(shè)備故障和安全事故。本課題針對(duì)此情況,從分析硬質(zhì)鋁合金厚板在拉伸機(jī)鉗口處發(fā)生局部斷裂的原因入手,以優(yōu)化拉伸機(jī)夾持鉗口,減少厚度為180-200mm的硬質(zhì)鋁合金厚板在拉伸機(jī)鉗口處發(fā)生局部斷裂為目標(biāo),開展對(duì)拉伸機(jī)夾持鉗口優(yōu)化及其試驗(yàn)研究,用以解決硬質(zhì)鋁合金厚板進(jìn)行預(yù)拉伸矯直過程中在鉗口處頻繁發(fā)生局部斷裂這一技術(shù)難題。首先,開展了拉伸機(jī)鉗口組件與硬質(zhì)鋁合金厚板相互作用力學(xué)特性分析,介紹了拉伸機(jī)系統(tǒng)組成及功能參數(shù),并從其夾持鉗口的結(jié)構(gòu)組成和工作原理上分析了易造成夾持端部應(yīng)力分布不均的原因。針對(duì)拉伸機(jī)鉗口組件與硬質(zhì)鋁合金厚板的相互作用形式,分別開展了硬質(zhì)鋁合金厚板力學(xué)特性分析、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)力學(xué)特性分析和支撐結(jié)構(gòu)件力學(xué)特性分析,以材料力學(xué)特性分析的形式獲得了硬質(zhì)鋁合金厚板應(yīng)力大小及分布情況。其次,針對(duì)拉伸機(jī)鉗口組件與硬質(zhì)鋁合金厚板之間力學(xué)作用關(guān)系,開展了硬質(zhì)鋁合金厚板拉伸斷裂模式數(shù)值模擬研究�；谟邢拊治隼碚�,利用ANSYS有限元仿真軟件建立拉伸組件仿真模型,對(duì)鉗口及硬質(zhì)鋁合金厚板夾持端的拉伸特性進(jìn)行有限單元法數(shù)值模擬分析。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)夾持鉗口重新建模,并開展相應(yīng)的夾持剛度和應(yīng)力分布仿真分析,優(yōu)化夾持鉗口設(shè)計(jì)參數(shù)。最后,為與上述力學(xué)特性分析和數(shù)值模擬分析結(jié)果相互驗(yàn)證,開展了基于改進(jìn)夾持鉗口的硬質(zhì)鋁合金厚板拉伸試驗(yàn)研究。根據(jù)理論受力分析與仿真模擬中優(yōu)化的鉗口結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)夾持鉗口進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),并進(jìn)行了多組硬質(zhì)鋁合金厚板拉伸試驗(yàn),并與鉗口改進(jìn)前的拉伸效果進(jìn)行了對(duì)比。經(jīng)過拉伸機(jī)夾持鉗口的優(yōu)化改進(jìn),以及對(duì)改進(jìn)后的硬質(zhì)鋁合金厚板拉伸性能測(cè)定、拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證和拉伸質(zhì)量分析,驗(yàn)證了硬質(zhì)鋁合金厚板拉伸矯直夾持鉗口優(yōu)化的技術(shù)可行性。最終用最少的資金投入、最短的時(shí)間影響、和最小的設(shè)備改動(dòng),解決了厚度為180-200mm硬質(zhì)鋁合金厚板在預(yù)拉伸工藝過程中出現(xiàn)其在鉗口處局部斷裂的這一技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)大飛機(jī)用超大規(guī)格硬質(zhì)鋁合金厚板的順利生產(chǎn)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V262
【圖文】：

a)飛機(jī)的肋板、腹板和外梁 b)飛機(jī)的機(jī)翼壁板圖 1-1 硬質(zhì)鋁合金厚板實(shí)際應(yīng)用經(jīng)軋制、淬火處理后的硬質(zhì)鋁合金厚板內(nèi)部會(huì)存在很大的殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力如不及時(shí)消除，硬質(zhì)鋁合金厚板就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重翹曲最終致使其報(bào)廢。目前，用于消除硬質(zhì)鋁合金厚板殘余應(yīng)力的諸多方法中，預(yù)拉伸矯直工藝最為簡單易行，該工藝在滿足大于硬質(zhì)鋁合金厚板屈服強(qiáng)度的拉應(yīng)力條件下，使硬質(zhì)鋁合金厚板較為均勻地沿截面延伸，最終達(dá)到規(guī)定的延伸比例。該工藝使得硬質(zhì)鋁合金厚板存留的殘余應(yīng)力得到明顯消除，其表面平整度也得到一定的改善，經(jīng)過拉伸處理的硬質(zhì)鋁合金厚板由于殘余應(yīng)力基本消除，即使經(jīng)機(jī)械深加工后也可以保證其外形尺寸的穩(wěn)定性，不僅大大提高了部件的使用壽命，同時(shí)也提高了機(jī)械加工的成品質(zhì)量。我國以前由于受預(yù)拉伸矯直機(jī)能力的限制，不但生產(chǎn)的硬質(zhì)鋁合金厚板厚度偏薄，而且在性能和質(zhì)量等方面，都遠(yuǎn)不能滿足我國大飛機(jī)發(fā)展的需要，導(dǎo)致我國大飛機(jī)所需的硬質(zhì)鋁合金厚板全部依賴進(jìn)口，進(jìn)而制約了我國航空工業(yè)的發(fā)展。101 廠為實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)鋁合金厚板國產(chǎn)化生產(chǎn)，從意大利引進(jìn)

從整個(gè)工藝流程看，為了大大降低甚至消除硬質(zhì)鋁合金厚板在淬火過程中產(chǎn)生的大量殘余應(yīng)力，拉伸矯直工藝是重要環(huán)節(jié)之一，關(guān)系到飛機(jī)能否安全飛行等實(shí)際問題，由于硬質(zhì)鋁合金厚板表面相對(duì)冷卻速度較快，且晶粒較小，致使表面屈服極限高，但在中心部分就相對(duì)較低，所以硬質(zhì)鋁合金厚板在固溶熱處理后表面產(chǎn)生的是壓應(yīng)力，中心是拉應(yīng)力。通過拉伸矯直工藝可使硬質(zhì)鋁合金厚板內(nèi)部的應(yīng)力重新分布。拉伸矯直工藝是通過拉伸加載均勻的載荷，使其縱向金屬纖維受塑性拉伸達(dá)到一定的延伸率和斷面收縮率，這時(shí)硬質(zhì)鋁合金厚板中心將產(chǎn)生壓應(yīng)力，這種壓應(yīng)力和原來的殘余應(yīng)力相互疊加，屈服強(qiáng)度較小的硬質(zhì)鋁合金厚板中心將產(chǎn)生一定的彈性變形和塑性變形[13,14]，不僅能夠顯著地降低硬質(zhì)鋁合金厚板在快速淬火后產(chǎn)生的熱、冷應(yīng)力，還能基本消除硬質(zhì)鋁合金厚板的殘余應(yīng)力。同時(shí)，硬質(zhì)鋁合金厚板的厚度越大，其內(nèi)部存留的殘余應(yīng)力越大，在拉伸過程中所施加的力也越大[15-17]。拉伸矯直工藝與松弛理論相似，即殘余應(yīng)力只要滿足一定的溫度和足夠的時(shí)間，就可通過拉伸完全消除，達(dá)到預(yù)期的理想效果。拉伸前后殘余應(yīng)力分布如圖 1-3 所示。

板材的縱向金屬纖維受塑性拉伸達(dá)到一定延伸率，去余應(yīng)力，并在卸掉外力后經(jīng)塑性變形達(dá)到矯直平整效在矯直的同時(shí)還可使鋁合金板材達(dá)到硬化的程度，進(jìn)。板材矯直機(jī)按照機(jī)身結(jié)構(gòu)分類，主要包括壓力矯直機(jī)伸彎曲矯直機(jī)、預(yù)拉伸張力矯直機(jī)[19]。壓力矯直機(jī)直機(jī)可分為立式壓力矯直機(jī)和臥式壓力矯直機(jī)，其中為常見，如圖 1-4 所示，工作原理為兩個(gè)固定鉸支點(diǎn)板材，通過活動(dòng)壓頭加壓反彎，實(shí)現(xiàn)對(duì)軋制后的鋁合矯直機(jī)的用途廣泛，除了上述工作外也可被用來矯直或者對(duì)輥式矯直機(jī)矯直后的板材進(jìn)行二次矯直。雖然用途廣泛，但是由于其生產(chǎn)效率較低并且操作復(fù)雜，果也不如輥式矯直機(jī)等其它類型的矯直機(jī)明顯，現(xiàn)在基本淘汰該類型矯直機(jī)。

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本文編號(hào)：2748003